【悦读科学】立方砷化硼载流子迁移率的精准测量
本文发表于《科学通报》“悦读科学”栏目, 由国家纳米科学中心刘新风研究员课题组撰写.
半导体是指常温下导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。半导体材料广泛应用于集成电路、电子信息、照明、太阳能发电等领域。
19世纪30年代，
法拉第首次发现硫化银的电阻随着温度的升高而降低，对半导体材料的研究就此发端。
20世纪40年代，
贝尔实验室实现了半导体单晶的提纯精炼，导致了硅和锗半导体的大量实际应用。
20世纪70年代后，
半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量以指数形式每18个月增加1倍。
随着芯片上集成度的进一步提高，热量管理成为芯片发展越来越棘手的问题，而为了解决芯片的散热难题，人们不得不以牺牲芯片的计算速度为代价。事实上，从2004年开始，CPU的主频就已经止步于4 GHz，只能通过增加核数来提高芯片的算力，但这种策略对于单线程的任务是无效的。因而寻找高热导、高传输速度的半导体材料是解决当前问题的关键。
可惜自然界中热导率高于铜的半导体材料仅有碳化硅(SiC)和立方砷化硼(c-BAs)两种。
SiC热导率约为500 W/(m K)，现已广泛应用于大功率半导体器件等领域，正在引领着第三代半导体的发展。
2008年，超高热导率半导体材料c-BAs制备成功，实测其热导率>1000 W/(m K), 约为Si的10倍[1]，有望将其应用于集成电路中，缓解散热问题这一困难。
c-BAs不仅具有很高的热导率，由于其弱的电声耦合和带间散射，理论预测它还同时具有非常高的空穴迁移率（2100 cm2/(V s)）和电子迁移率（1400 cm2/(V s)），这在半导体中是非常罕见的[2]。作为参考，Si的电子和空穴迁移率仅为1350和480 cm2/(V s)。这表明c-BAs在集成电路领域具有非常大的应用潜力。通过实验确认这种半导体材料的迁移率具有非常重要的意义。然而, 由于目前制备的样品均一性差并且杂质非常多，2021年通过霍尔效应测定的载流子迁移率仅为22 cm2/(V s) [3]。
最近，国家纳米科学中心刘新风团队通过超快载流子扩散显微成像系统首次成功测定了砷化硼的本征载流子迁移率，并在高能激发的情况下测到了砷化硼中的热载流子扩散，该研究成果发表于Science [4]。
1． 高纯砷化硼检测
半导体中的电子在热或电场、光子激发下会挣脱原子核的束缚形成自由的载流子。这些载流子会在电场诱导或者自身浓度梯度驱动力下进行传输或者扩散。在运动过程中还会受到声子、杂质、缺陷的散射，导致速度减缓。为了获得材料的本征迁移率，杂质和缺陷需要尽可能避免，因此需要测试极纯净的样品。目前砷化硼单晶可以通过化学气相传输制备，然而样品中存在大量杂质，仅在少量区域足够纯净，需要综合运用各种原位测量技术测定样品的纯度。
我们通过大量样品实验数据的比对，总结出晶格质量、杂质态散射、结构有序性、缺陷发光的综合表征方法。
利用高分辨X射线衍射分析晶体结晶质量；
利用高分辨低背景拉曼光谱来分析样品的结构有序性和杂质态散射；
利用带边近共振激发拉曼光谱来测量样品中的微量杂质发光；
最终找到尺寸约50 μm×20 μm的高纯区域，其X射线衍射峰宽0.02o，拉曼峰宽0.6 波数，背景散射强度10–4，存在极微弱的缺陷诱导带边发光，这些参数为目前已知报道的最优值。
2． 砷化硼的载流子传输
由于传统的电学测量方法需要制备电极，空间分辨率在几十微米以上，不可避免地会接触缺陷，严重影响最终的测量结果。为了克服传统测量方法带来的困难，我们发展了具有更高空间分辨率的超快光学测试方法。将脉宽为100 fs的泵浦光聚焦到样品表面，形成瞬时局域分布的载流子，在浓度梯度的驱动下，这种载流子会进行自由扩散，经过一定时间后，载流子会分布到远大于初始区域的范围，我们通过测试不同时刻的载流子的分布，就可以得到载流子的扩散速度（图1(a)）。
（a）实验装置示意图，激发波长为600 nm，探测波长为800 nm
在高纯样品区域，通过接近600 nm带隙的飞秒激光激发，在一系列时间延迟后利用800 nm的广场探测光进行探测，可以直接观测到载流子的动力学行为, 表现为在空间上的扩散（图1(b)）和激发后粒子数的单指数衰减（图1(c)）。
通过对特定延迟时刻的载流子分布进行二维拟合，并提取不同时刻的半高宽分布，可以准确测量载流子的空间扩散（图1(d)和(e)），还可以通过半高宽的变化趋势提取其扩散速度以及迁移率，实测的电子空穴约化迁移率约为1550 cm2/(V s)，与理论预测值一致。
（b）不同时刻的瞬态反射显微成像（标尺1 μm）；（c）典型的载流子动力学；（d）0.5 ps时载流子分布的二维高斯拟合；（e）不同时刻的载流子分布方差随时间的演化及载流子迁移率，误差标尺代表95%置信拟合区间。
同期，麻省理工学院陈刚课题组[5]利用瞬态光栅测量方法，得到了类似的结果，并且同时测量到超高的热导率和高的载流子迁移率。二者的侧重点略有不同，我们侧重于研究热载流子对立方砷化硼的载流子扩散的影响，他们则侧重于研究砷化硼中杂质原子的重要作用。
3. 总结与展望
该研究首次成功测定了立方砷化硼的本征载流子迁移率，厘清了理论和实验之间存在巨大差异的具体原因。立方砷化硼具有高的载流子迁移率以及超高的热导率，显示了其在后摩尔时代解决芯片散热问题的极大优势；再结合其稳定的化学性质和优异的力学性质，充分表明立方砷化硼是当前最好的半导体材料之一，可以广泛应用在电子元件、光电器件中。目前砷化硼样品的生产制备还停留在实验室级别，是否能够量产并进行商业化应用还存在诸多不确定的因素。尽管如此，它依然是业界将来可以深入探索的研究方向之一，后续的进展和前景也非常值得关注。
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1. Fei. T, Bai S, Chen X, et al. Unusual high thermal conductivity in boron arsenide bulk crystals. Science, 2018, 361: 582–585
2. Te-Huan L, Bai S, Laureen M, et al. Simultaneously high electron and hole mobilities in cubic boron-V compounds: BP, BAs, and BSb. Phys Rev B, 2018, 98: 081203
3. Xi C, Chunhua L, Youming X, et al. Effects of impurities on the thermal and electrical transport properties of cubic boron arsenide. Chem Mater, 2021, 33: 6974–6982
4. Shuai Y, Fei T, Xin S, et al. High ambipolar mobility in cubic boron arsenide revealed by transient reflectivity microscopy. Science, 2022, 377: 433–436
5. Jungwoo S, Geethal. A. G, Zhiwei D, et al. High ambipolar mobility in cubic boron arsenide, Science, 2022, 337: 437–440
原文信息
岳帅, 刘新风. 立方砷化硼载流子迁移率的精准测量. 科学通报, (2022) https://doi.org/10.1360/TB-2022-0837 （“阅读原文”直达）
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